![Page 1: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/1.jpg)
De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Energi-, Forsynings- og Klimaministeriet
Vingsted 2017
Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i forhold til
grundvandsmodellering
Torben O. Sonnenborg
![Page 2: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/2.jpg)
• Jens Christian Refsgaard
• Anker Lajer Højberg
• Dorte Seifert
• Xiulan He
Tak til:
![Page 3: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/3.jpg)
Studier af effekten af geologisk usikkerhed
1. Bording (400 km2)
• Begravet dal i Miocene sedimenter
• 2 konceptuelle modeller
• MODFLOW + PEST
• Opland, alder
• Seifert et al. (2008)
4. Ølgod (125 km2)
• Kvartære sedimenter
• Multi-point statistik
• MODFLOW + PEST + SGeMS
• Trykniveau, alder
• He et al. (2013)
3. Lejre (465 km2)
• Kvartær moræne over kalk
• 5 konceptuelle modeller
• 11 klimamodeller
• MIKE SHE + PEST
• Seifert et al. (2012)
2. København Vest (300 km2)
• Multi-aquifer, kværtær moræne, kalk
• 3 konceptuelle modeller
• MODFLOW + PEST + Monte Carlo
• Recharge, stoftransport
• Højberg and Refsgaard (2005)
Sweden
Germany
Denmark
![Page 4: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/4.jpg)
En knap så simpel geologisk model
Kc3
Ks2
Ks1
Ks3
Ks4
Ks5
Kc2
Kc1
Kc4
Kc5
– med effektive parametre
![Page 5: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/5.jpg)
En knap så simpel geologisk model
10
30
20
50 40
30
10
5
50 70 60
- med lokal heterogenitet
![Page 6: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/6.jpg)
1. Opstil flere konceptuelle modeller • Manuel geologisk tolkning (forskellige geologer) • 2-5 alternative geologiske modeller per studie • Mange stokastiske modeller (TPRoGS/SGeMS)
2. Opstil numerisk model • En numerisk model for hver geologisk model • Kalibrer (invers modelling) mod observeret trykniveau og
vandløbsafstrømning
3. Brug numerisk model til at simulere forhold som rækker ud over kalibrerings-situation • Indvindingsopland (lille ekstrapolation) • Grundvandsdannelse (medium ekstrapolation) • Grundvandsaldre/stofkoncentrationer (stor ekstrapolation)
4. Special-analyser • Sammenlign effekt af parameter-usikkerhed (Monte
Carlo) med konceptuel (geologisk) usikkerhed • Effekt af klimaændringer vs effekt af geologisk usikkerhed
Generel metode
![Page 7: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/7.jpg)
1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)
– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau, hvis det er muligt at kalibrere
– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)
Hovedkonklusioner
![Page 8: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/8.jpg)
Eksempel 1: Effekt af geologisk model for strømning og transport (Seifert et al., 2008)
![Page 9: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/9.jpg)
1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)
– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere
– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)
2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed – Resultater som afhænger af strømningsveje (transport)
Hovedkonklusioner
![Page 10: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/10.jpg)
Usikkerhed på parameter
vs. konceptuel geologisk
model
Eksempel 2: Konceptuelle geologiske modeller – geologisk usikkerhed (Højberg and Refsgaard, 2005)
West East
Model C
Model A
Model B
Fractured clay/
Toplayer
Sand Clayey till Limestone SelandienLimestone
![Page 11: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/11.jpg)
Usikkerhed på parameter værdier vs konceptuel geologisk model
- Effekt på strømningsveje/gennembrudskurver
West East
Model C
Model A
Model B
Fractured clay/
Toplayer
Sand Clayey till Limestone SelandienLimestone
0 20 40 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Norm
alis
ed c
on
cen
trat
ion
0 20 40 60 80 100
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 40 80 120 160 200
Time in years
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Norm
alis
ed c
on
cen
trat
ion
0 100 200 300
Time in years
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Model A Model B Model C
Simulated breakthrough
in 4 abstraction
wells Parameter
usikkerhed
Konceptuel
geologisk
usikkerhed
![Page 12: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/12.jpg)
1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)
– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere
– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)
2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed – Resultater som afhænger af strømningsveje (transport)
3. En håndfuld konceptuelle geologiske modeller vil typisk ikke udfylde rummet af plausible modeller
– Usikkerhedsbånd inkluderer ikke observationer
– Geologisk usikkerhed > klima-usikkerhed (oplande)
Hovedkonklusioner
![Page 13: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/13.jpg)
Eksempel 3: Konceptuel geologisk usikkerhed (Seifert et al., 2012)
![Page 14: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/14.jpg)
Geologiske modeller
![Page 15: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/15.jpg)
Usikkerhed på geologi: indvindingsændringer
Indvindingsstop på kildepladser:
![Page 16: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/16.jpg)
Usikkerhed på oplandsberegninger
11 klimamodeller – én geologi 6 geologiske modeller – ét klima
![Page 17: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/17.jpg)
1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)
– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere
– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)
2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed – Resultater som afhænger af strømningsveje (transport)
3. En håndfuld konceptuelle geologiske modeller vil typisk ikke udfylde rummet af plausible modeller
– Usikkerhedsbånd inkluderer ikke observationer
– Geologisk usikkerhed > parameterusikkerhed (oplande)
4. Geologisk usikkerhed vs parameterusikkerhed
– Sammenlignelig effekt på trykniveau
– Markant større effekt fra geologi på transporttider
Hovedkonklusioner
![Page 18: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/18.jpg)
Eksempel 4: Geologisk vs parameter usikkerhed (He et al., 2013)
![Page 19: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/19.jpg)
Geologisk usikkerhed
CF baseret træningsbillede SGeMS realisation
90 realisationer af geologi
![Page 20: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/20.jpg)
• Usikkerhed forårsaget af geologisk usikkerhed
Usikkerhed
Hydraulisk trykniveau Transporttid
![Page 21: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/21.jpg)
Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4
Geologi (90 real.)
Stand. dev. (m) 0.3 0.4 0.2 0.3
Parametre (216 real.)
Stand. dev. (m) 0.5 0.6 0.2 0.2
Total (90 x 216 real)
Stand. dev. (m) 0.55 0.8 0.55 0.35
Geologisk vs. parameter sikkerhed
Usikkerhed på hydraulisk trykniveau i fire tilfældige brønde:
![Page 22: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/22.jpg)
Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4
Geologi (90 real.)
Stand. dev. (m) 0.3 0.4 0.2 0.3
Parametre (216 real.)
Stand. dev. (m) 0.5 0.6 0.2 0.2
Total (90 x 216 real)
Stand. dev. (m) 0.55 0.8 0.55 0.35
Geologisk vs. parameter sikkerhed
Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4
Geologi (90 real.)
Stand. dev. (yr) 8 10 70 9
Parametre (216 real.)
Stand. dev. (yr) 1.5 1.2 5.2 1.2
Total (90 x 216 real)
Stand. dev. (yr) 8 10 49 5
Usikkerhed på hydraulisk trykniveau i fire tilfældige brønde:
Usikkerhed på transporttider til fire tilfældige brønde:
Effekt af geologi og parametre sammenlignelig
Effekt af geologi meget vigtigere end parametre
![Page 23: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/23.jpg)
• Konsekvenser af usikkerhed på geologisk tolkning:
– Trykniveau:
• Fejl kan kompenseres via kalibrering
• Effekt af geologisk usikkerhed sammenlignelig med parameterusikkerhed
– Strømningsveje/transport:
• Effekt af geologisk usikkerhed dominerende
• Kalibrering kan øge usikkerhed (kompensation) Vigtigt med realistisk geologisk model
Konklusioner
![Page 24: Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i ... 2... · 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N o r m al i s e d c o n c e n t r a t i o n 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 40 80 120 160](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041900/5e600826cf77dc764716e8f5/html5/thumbnails/24.jpg)
• Harrar WG, Sonnenborg TO, Henriksen HJ (2003) Capture zone, travel time, and solute transport model predictions using inverse modeling and different geological models. Hydrogeology Journal 11(5): 536-547.
• Højberg AL, Refsgaard JC (2005) Model Uncertainty - Parameter uncertainty versus conceptual models. Water Science and Technology, 52(6): 177-186.
• Refsgaard JC, van der Sluijs JP, Brown J, van der Keur P(2006) A framework for dealing with uncertainty due to model structure error. Advances in Water Resources, 29(11): 1586-1597.
• Troldborg L, Refsgaard JC, Jensen KH, Engesgaard P (2007) The importance of alternative conceptual models for simulation of concentrations in multi-aquifer system. Hydrogeology Journal, 15: 843-860.
• Seifert D, Sonnenborg TO, Scharling P, Hinsby K (2008) Use of alternative conceptual models to assess the impact of a buried valley on groundwater vulnerability. Hydrogeology Journal, 16: 659-674.
• Seifert, D., T.O. Sonnenborg, J.C. Refsgaard, A.L. Højberg, and L. Troldborg (2012), Assessment of hydrological model predictive ability given multiple conceptual geological models, Water Resources Research., 48, doi:10.1029/2011WR011149.
• Refsgaard, J.C., S. Christensen, T.O. Sonnenborg, D. Seifert, A.L. Højberg, and L. Troldborg (2012), Review of strategies for handling geological uncertainty in groundwater flow and transport modelling, Advances of Water Resources, 36, 36-50, doi: 10.1016/j.advwatres.2011.04.006
• He, X.L., K.H. Jensen, T.O. Sonnenborg, F. Jørgensen, A-S. Høyer, and R.R. Møller (2013), Analyzing the effects of geological and parameter uncertainty on groundwater head and travel time, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 3245-3260, doi:10.5194/hess-17-3245-2013.
• Sonnenborg, T.O., D. Seifert, and J.C. Refsgaard (2015) Climate model uncertainty versus conceptual geological uncertainty in hydrological modeling, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 3891-3901, doi:10.5194/hess-19-3891-2015.
Mere information